一、海洋新材料行业定义和分类

    21 世纪是海洋的世纪，海洋在国家经济发展及维护国家主权的地位更加突出，而材料科学又是发展海洋科学技术的基础；没有高性能材料作为物质保证，海洋科技的发展和产业化将受到很大制约。

    所谓海洋新材料，宏观上是指能从海洋中提取的材料和专属用于海洋开发的各类特殊材料。海洋新材料的主要分类：海洋用钢（钢筋和各类不锈钢）、海洋用有色金属（钛、镁、铝、铜等）、防护材料（防腐、防污涂料、牺牲阳极材料）、混凝土、复合材料与功能材料等。

    海洋新材料的主要应用：造船、港口码头及跨海大桥、海底隧道、海洋平台、海水淡化、沿海风力发电、海洋军事等。

    二、海洋新材料要求及分类

    1、海洋环境对材料的标准要求

    海洋工程设施通常由金属材料（特别是钢铁）、钢筋混凝土材料等制造而成。如果没有有效的腐蚀防护措施，海洋工程设施在几年内就会因腐蚀而严重破坏。因此，认识海洋腐蚀防护的重要性，并大力发展海洋工程设施专用防腐材料，推进海洋工程设施的全寿命周期维护，具有极其重要的经济价值和社会意义。然而，我国海洋工程的防腐措施薄弱，急需加强腐蚀保护。

    影响材料在海洋环境中腐蚀的因素主要包括化学和物理两大因素，并且两者相互关联。化学因素主要是氧、盐、碳酸盐、有机化合物、污染物等，物理因素主要包括温度、流速、压力及海洋生物等。通常所指的大体分为 5 个腐蚀区带：海洋大气区、海水飞溅区、海水潮差区、海水全浸区以及海泥区。根据海水深度不同，全浸区带又可以分为浅水区、大陆架区和深水区，深水的定义也随着科技的进步和海洋石油的发展在改变。目前可以将水深大于 500m 定义为深水，水深超高1500m定义为超深水。

    每个区带都有其特有的腐蚀环境，但一般认为紫外、盐雾、老化是海洋环境的特征。海洋环境的腐蚀条件比较严酷和恶劣，再加上接触介质多种多样，不存在任何条件下都能腐蚀的材料，因此，对海洋工程复合材料的原材料，有必要进行适当的取舍。目前，我国海洋工程材料的发展仍然面临着诸多问题，比如涉及船舶、海洋平台、油气管线以及离岸建筑等方面使用的高品质金属材料、复合材料的关键应用技术的开发，以及海洋用材料标准的制定。此外，鉴于海洋装备和海洋工程长期处于严酷海洋环境下工作，服役中无法回避的问题是材料的腐蚀损伤、磨蚀失效和生物污损，严重影响海洋工程和装备的可靠性和寿命，材料的腐蚀失效机理与防护技术已成为我国海洋工程领域都亟待解决的问题。

    2、海洋石油装备材料的特殊要求

    与陆地环境相比，海洋环境更为苛刻、复杂。海洋石油装备材料在安装、服役期间会承受多种载荷的影响，同样，也会受到海水或油气介质引起的腐蚀，以及可能遇到的低温或高温环境的作用。海洋石油装备材料的载荷条件根据产生原因可分为 : 建造载荷、功能载荷、环境载荷以及偶然载荷。建造载荷是系统在建造时，包括安装、试压、试运行、维护和维修产生的载荷。功能载荷是指系统在运行期间，本身存在的载荷和由于使用所引起的载荷。环境载荷即周围环境作用于系统上的载荷，其包括风载、流体动力载荷、波浪和海流载荷、冰载荷、地震载荷等。偶然载荷是指异常和意外情况下施加于管道系统上的载荷。

    海洋石油装备材料在建造和服役期间，要充分考虑评估各种载荷单独或复合作用的影响，确保材料满足服役要求。

    3、海洋材料用钢材料

    （1）碳钢与低合金钢

    在海洋石油装备材料中涉及的碳钢和低合金钢，主要包括平台用钢、钻机井架及底座用钢、管线钢和立管用钢等工程结构钢，以及钻机 （ 井架及底座外 ）、水下井口头、采油树、防喷器、管汇等设备零件用调质钢、低碳马氏体钢、渗碳钢、渗氮钢等机械制造用钢。我国不锈钢的牌号标准为 GB/T20878，海洋石油装备中主要采用马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

    （2）低温用钢

    通常将各种液化石油气、液氨、液氧、液氮等生产、储存容器和低温环境服役的输送管道及管件，称为低温容器，制造低温容器所用的钢以及在低温环境服役的其他装备用钢统称为低温钢。目前，国内外对低温用钢的温度界限还没有一个统一的规定。根据 GB150《固定式压力容器》，我国低温压力容器定义为－ 20℃以下温度服役的容器。

    目前，低温钢大致可分为四类 : 低碳铝镇静钢、低温高强度钢、镍系低温钢和奥氏体不锈钢。

    海洋石油装备中主要的低温钢有低碳铝镇静钢、低温高强度钢和镍系低温钢，主要应用于海底低温环境、极地或冬季严寒海域、LNG 船储罐系统等。在水深超过 1000m 的海底，温度常年维持在 0℃附近，要求装备材料须具有良好的低温韧性。另外，在北极和冬季寒冷海区服役温度极低，尤其是北极海区最冷月平均气温达到－ 40℃，此环境下使用的平台构件、管系、阀门等装备需采用 E 级 （ 满足－ 40℃冲击要求 ） 甚至是 F 级别 （ 满足－ 60℃冲击要求 ） 的钢材。LNG（ 液化天然气 ） 液化温度低达－163℃左右，LNG 船储罐材料一般采用9%Ni 钢。9%Ni 钢低温下具有良好的强韧性，且合金含量少、价格便宜，已逐步取代 Ni － Cr 不锈钢，成为－ 196℃级低温设备和容器的最重要的结构材料，广泛用于 LNG 储罐。

    （3）不锈钢

    我国不锈钢的牌号标准为 GB/T20878，海洋石油装备中主要采用马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。

    （4）镍基和铁镍基耐蚀合金

    纯镍除具有良好的强度、塑韧性外，在卤族元素及其氢化物活泼气体、不含氧和氧化剂的还原性酸性介质中还具有良好的耐蚀性，因此纯镍作为耐蚀金属材料得以应用。由于提高耐蚀性的 Cr、Mo、W、Cu、Si 等元素在镍中的溶解度远大于在铁中的溶解度，因此可通过合金化，发展了一系列上述元素含量较高的镍基和铁镍基耐蚀合金。铁镍基合金含镍 30% ～ 50% 且镍与铁总量不小于60%，镍基合金含镍量不小于 50%。

    耐蚀合金根据强化特征，可分为固溶强化型合金和时效硬化型合金 ; 根据成型方式，可分为变形耐蚀合金和铸造耐蚀合金。

    镍基耐蚀合金按不同的合金体系，可 分 为 Ni － Cu、Ni － Cr － Fe、Ni －Mo、Ni － Cr － Mo、Ni － Cr － Mo － W、Ni － Cr － Mo － Cu 等类型 ; 铁镍基耐蚀合金可分为 Ni － Fe － Cr、Ni － Fe －Cr－Mo、Ni－Fe－Cr－Mo－Cu等类型。

    国外耐蚀合金的主要产品Monel（ 蒙乃尔 ） 合金、Inconel 合金、Incoloy 合金、Hastelloy（ 哈氏 ） 合金等。

    Monel 合金是 Ni － Cu 合金，为 Ni、Cu以任意比例混合形成的固溶体。Inconel合金为含铁量较低的 Ni － Cr 系镍基合金；而 Incoloy 合金为含铁量较高的 Ni－ Fe － Cr 系铁镍基合金。Hastelloy 合金是以 Cr、Mo 为主要合金元素的超低碳 Ni － Cr － Mo 系合金，包括 A、B、C、D、F、G、N、W、X 等系列。海洋石油装备使用的几种典型镍基和铁镍基合金牌号、化学成分和应用举例见表 1-1，不同国家耐蚀合金牌号对照见表 1-2。

    在海洋石油装备材料中，当不锈钢材料的耐腐蚀性能无法满足工况要求时，则需选用具备更高耐蚀性能的铁镍基合金和 / 或镍基合金。一般情况下，镍基和铁镍基合金用于制造符合APIApec6A 与 17D 规范的 HH 级井口装置和采油树零部件。材料牌号的具体选用与腐蚀介质的温度、介质中 H 2 S和 CO 2 分压、pH 值、氯化物浓度以及硫元素是否存在等有关，按照 NACEMＲ 0175 选材有三种途径，分别为：标准推荐表选择、实验室评价和现场实际经验。

    4、海洋用有色金属材料

    在海洋石油开发中，为获得更加轻量化、寿命更长的石油装备构件，有色金属材料得以广泛应用。海洋石油装备中常用的有色金属材料包括钛合金、铝合金、铜合金等。

    （1）钛合金与钢铁、不锈钢、铜、铝等常用材料相比，钛材最突出的特点是密度低，比强度高，耐蚀性强。同时还具有耐海水冲刷，无磁性，无冷脆性，高透声系数，较好成形、铸造、焊接性能等，使它对各类海洋工程有广泛的适用性。

    目前，美国、俄罗斯和中国等先后开发出了约 50 种海洋工程用钛合金，表 1-3 列出了常用海洋工程装备用钛合金的牌号及相应的性能。钛及其合金是升级海洋资源开发装备，提升海洋资料开发能力的理想结构材料。在海洋石油开发方面，钛合金主要应用于隔水管、锥形应力接头、连续管、增压管道、钻具提升装置、海水管路系统、冷却系统、灭火系统等。其中 TC4（Ti － 6Al － 4V）在海洋油气工程中应用较多，尤其是采用 β 锻造技术锻造的 Ti － 6Al － 4VELI合金的平面断裂韧性和应力腐蚀断裂韧性高于普通 Ti － 6Al － 4V，得到了更为广泛的应用。由 Ti － 6Al － 4V（Gr5）钛合金制成的超深井钻杆，垂直深度可达 9200mm。钛合金钻杆代替钢钻杆后，钻具起吊力减少 30%，扭矩降低30% ～ 40%。井下作业连续管通常采用 Gr2、Gr7、Gr9、Gr12、Gr18、Gr28等 6 种钛和钛合金管焊接制造，目前最大外径 63.6mm。连续管钻井可以使得钻井成本降低很多，采用钛合金连续管，连续管的疲劳寿命和腐蚀疲劳寿命也大大延长。

    （2）铝合金铝及铝合金具有密度小，耐腐蚀，无磁性，良好的成型性和焊接性等优点，应用铝合金可提高海洋石油装备的性价比。纯铝硬度及强度一般较低，不适宜制作受力的机械零构件。铝及其合金在海洋油气开发中的应用较为广泛，主要有 : 铝合金钻杆、铝合金平台、铝合金直升机停机坪、铝合金海上生活套间、铝合金隔水管、铝合金 LNG 球罐 （Moss球罐 ） 等。

    1962 年，俄罗斯即开始使用铝合金钻杆。铝合金钻杆由于其重量轻、强度重量比高 （ 强度重量比是普通钢的1.5 ～ 2 倍 ）、抗腐蚀性强、延展性好、与井壁的摩阻小和无磁性等优点，在深井、超深井、深水平井和大位移井中具有广泛应用前景。美国、法国、德国和日本等国也开发了不同规格和用途的铝合金钻杆。1957 年，在委内瑞拉的马拉开波湖，世界上第一个使用在高腐蚀地区的铝合金石油钻井平台出现。2004年，巴西卡姆波斯巴欣公司建造了首台全铝石油平台。20 世纪 90 年代铝焊接技术的进步，出现了全铝结构停机坪，大大减轻了重量，同时降低了成本。

    2008 年，新加坡开发了直径 22.2m 的全铝直升机停机坪。此外，铝合金也用于制作海上生活单元等。目前，在 LNG船上，Moss 球罐已多采用 5083 铝合金材料，5083 是一种 Al － Mg 合金，其具备良好的低温断裂韧性和裂纹扩展传播特征，Moss 球罐即使产生了裂缝，裂缝扩展速度也非常缓慢，产生的泄漏也非常轻微。一艘 Moss 型 LNG 船大约需要 2800t ～ 3100t 的 5083 铝合金板。

    （3）铜合金铜及其合金具有优良的力学性能、耐海水腐蚀及刷腐蚀、耐海洋生物腐蚀性能、导热性能等，在海洋工程中有着非常关键的作用。按照化学成分，铜合金可分为黄铜、青铜和白铜。黄铜是以锌为主加元素的铜合金。白铜是以 Ni为主加元素的铜合金。作为结构件，白铜常用于制造海水管道、仪表零件、冷凝器、热交换器等。除黄铜、白铜之外的其他铜合金统称为青铜。根据主加元素，如 Sn、Al、Si、Be 等，分别称为锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜。锡青铜在海水中耐蚀性超过纯铜、黄铜，常被用于弹性元件、轴承等耐磨零件、抗磁及耐蚀零件。铝青铜的强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性均高于黄铜、锡青铜，主要应用于高强度、耐磨和耐蚀零件，如齿轮、轴承、阀座、螺旋桨等。

    铍青铜具有强的沉淀强化效应，经淬火和时效，铍青铜具有高的强度、硬度、耐磨性、抗蚀性等，常用作弹簧、海底连接件、螺线管等。在海洋油气开发中，由于具有良好的抗污性及耐蚀性，Cu －Ni 合金包覆海洋平台，被证明是避免或减缓飞溅区腐蚀的理想选择。铜合金也被用于平台海水管道、钻头组件、阀门组件等。海水管道和油气平台包覆层一般均选用 Cu － Ni 合金，以 C70600（ 美国牌号，Cu － 10Ni － 1.5Fe － Mn） 为代表，其具有优良的加工性能、可焊性和力学性能，同时具备优良的耐海水腐蚀、耐海生物腐蚀、耐应力腐蚀和耐疲劳腐蚀性能等，成为了海洋油气用铜合金的主流材料。此外，在海洋石油工程中，有色金属阴极保护系统也常用于油气装备的腐蚀与防护，经济效益明显。

    常用的牺牲阳极体系包括镁基牺牲阳极、锌基牺牲阳极和铝基牺牲阳极。

    5、海洋石油装备用非金属材料

    （1）无机非金属材料

    无机非金属材料在海洋油气开发中主要被用于离岸混凝土平台。混凝土平台具有制造周期短、安装及维护费用低、抗海浪冲击及冰冻挤压能力强等优点，在海洋平台中占有了一席之地。1973年，在北海油田建成了世界第一座海上巨型混凝土储油平台，自此拉开了混凝土平台建设的序幕。截止 2012 年，全球共建成离岸混凝土平台 52 座。离岸混凝土平台要求混凝土材料具有高的强度、良好的耐久性和可构造性，因此海工混凝土对水泥、硅灰、骨料、化学外加剂、海砂等材料都有更为严格的要求。

    高强度轻质混凝土技术是目前发达国家在海洋工程中应用中的主流技术，能满足海洋工程应用中对混凝土轻量化、大型化、大跨化、重载化以及耐久化等诸多方面的要求。采用高强度轻质混凝土材料用于平台建造，可降低前期造价和后期维护费用约 30%。

    （2）高分子材料

    高分子材料主要用在防喷器胶芯、钻采装备用密封件、柔性管用聚合物材料、防腐涂料等。环形防喷器胶芯采用的橡胶材料有丁腈橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶等。闸板防喷器胶芯以及钻采装备密封件主要使用丁腈橡胶、氰化丁腈橡胶。高分子材料在柔性管中的应用十分广泛，其中可用到的热塑性塑料包括高密度聚乙烯、交联聚乙烯、聚酰胺和聚偏氟乙烯、氯化聚乙烯等，橡胶材料有丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、天然橡胶、氯丁橡胶、乙烯丙烯二烃单体橡胶等。

    （3）复合材料

    复合材料作为新型结构功能材料，具有重量轻、比强度和比模量高、阻尼性能好、耐疲劳、耐化学腐蚀、耐磨性好、热膨胀系数低等优点，成为海洋油气开发的重要选择之一。复合材料在海洋油气开发中的应用包括海洋平台系泊缆绳、隔水管、抽油杆、柔性管及管道等。对于深海石油平台，采用复合材料可大幅度减轻构件的重量。用碳纤维增强复合材料制成的平台系泊缆绳可用于3000m 的深海油田 ; 用碳纤和玻纤混杂增强环氧树脂制成的隔水管具有非常高的比强度和比刚度 ; 水下轻质复合材料可用于隔水管浮力块、浮筒、浮缆等。

    20 世纪 90 年代，美国开始研制复合材料抽油杆，抽油杆通常增强相为 ThornelTMT － 30012K 碳纤维，基体相为环氧树脂，具有以下优点 : 质量轻，高比强度和高比模量，减重节能效果显著，且适合深井采油 ; 柔韧性优异，适合盘绕和运输，操作方便 ; 耐疲劳，大大延长了使用寿命。在管道方面，玻璃钢管、复合增强管 （TP） 以及双金属复合管等均可用于海洋油气开发中。玻璃钢管是通过玻璃纤维增强环氧树脂，质量轻且耐腐蚀，已应用于海洋石油平台的管道设施。复合增强管由内层 （ 聚乙烯、聚丙烯 ）、增强层 （ 聚酯纤维、芳纶纤维或高强钢丝 ） 及外部耐磨层 （ 聚乙烯 ）组成，韧性好，强度高，可用于海洋油气的集输。双金属复合管是由双层金属组成的复合管，内层一般为不锈钢或耐蚀合金，外层为普通钢管，通过机械或冶金方法复合而成。基管负责承压以及提供刚性支撑，内管承担耐腐蚀作用，可用于含 H 2 S、CO 2 以及 Cl－ 等腐蚀介质油气的输送，常用作油田内部集输管及刚性跨接管。此外，柔性管是海洋油气开发中广泛应用的复合材料管，其是由骨架层、内护套、耐磨层、铠装层及外层护套等组成的多层结构，常用作海洋立管及柔性跨接管等。

    三、海洋新材料研究的意义

    从世界范围看，海洋科技创新能力和发展水平已经成为主要海洋国家间争夺全球海洋领导地位和话语权的关键领域之一。

    我国是海洋大国，经过多年发展，海洋事业总体上进入了历史上最好的发展时期。尤其是党的十八大以来，党中央的一系列重大决策部署均体现出了对海洋科技工作的重视，海洋科技在国家科技大格局中的地位日益突显：《国家创新驱动发展战略纲要》提出，要发展海洋先进适用技术，构建立体同步的海洋观测体系，推进我国海洋战略实施和蓝色经济发展。《“十三五”国家科技创新规划》明确提出，我国将加强海洋、极地空间拓展等关键技术突破，提升战略空间探测、开发和利用能力，为促进人类共同资源有效利用和保障国家安全提供技术支撑。这些都为海洋科技未来的发展指明了方向。

    当前是推动海洋科技创新工作再上新台阶的关键阶段。国家海洋局实施“蓝色海湾、南红北柳、生态岛礁、智慧海洋、雪龙探极、蛟龙探海”等重点工程，这些任务的落实都需要海洋科技的支撑服务和创新引领。这些既为国家海洋局科技创新工作加快发展提供了难得机遇，同时也对海洋科技创新服务发展提出了新的更高的要求。

    四、海洋新材料产业链分析  

    海洋新材料与海洋产业的关联体现在海工装备产业链，其主要包括船舶、海洋工程装备、海洋涂料、发电、海上钻井平台、海洋污染治理等行业。

    当前，我国正处于经济转型升级的关键时期，海洋资源的开发和利用，被认为是重要的途径之一。2015 年全国海洋生产总值 64669 亿元，占国内生产总值的 9.6%。

图 1-1 海洋新材料产业链

图1-2 全国海洋生产总值占GDP情况

    开发深海资源，维护主权权益，提高我国海洋技术支撑和保障能力，必须要发展重大技术装备。而海洋工程材料则将在其中发挥关键性作用。“十三五”以来，随着经济转型升级需求的日益迫切，加快海洋资源的开发和利用，已成为我国的重要战略方向。但现实的窘境是，材料问题已成为我国海洋工程装备发展中的主要瓶颈，没有高性能材料作为物质保障，海洋科技的发展和产业化将受到很大制约。